오염물질의 성상 - 이산화탄소

사람이 숨을 쉴 때는 내보내는 이산화탄소는 실내공기질과 환기상태를 점검하는 기준 척도가 되는 기체상 물질로, 실내공간에서 이산화탄소의 농도가 증가하면 호흡에 필요한 산소의 농도가 상대적으로 부족하게 되므로 인체에 악영향을 미치게 되어 일산화탄소(CO)와 함께 중요한 실내공기 오염물질 중의 하나로 분류되고 있다. 실내공기 중의 이산화탄소는 사람의 호흡에 의해 주로 배출되지만, 부엌에서 요리 시 이용하는 연료를 연소시킬 때도 발생하는 배기물로서, 미국에서는 실내공기의 환기 조건을 CO2 기준으로 2,000ppm을 권장하고 있는 반면, 우리나라와 일본은 그 절반인 1,000ppm으로 강화된 기준을 권장하고 있다.
대기 중의 이산화탄소의 발생원은 크게 자연적 발생원인 미생물의 분해작용과 인위적 발생원인 화석연료의 연소 및 산림파괴에 의한 것으로 나누어 볼 수 있는데, 바닷물이나 식물에 흡수되어 대기 중에서 제거된다. 이와 같이 대기 속의 이산화탄소는 대기의 자정작용에 의해 희석되거나 제거되지만, 실내공기 속에 이와 같은 자정작용이 없기 때문에 이산화탄소는 환기장치를 설치하거나 또는 공기정화식물과 같은 별도의 제거장치를 하지 않고서는 저절로 없어지지 않는다.

 

이산화탄소의 성질

이산화탄소를 우리는 보통 탄산가스라고 하는데, 학술적으로는 탄산무수물 또는 무수탄산이라고도 부른다. 화학식으로는 CO로 표시하고, 일반적으로 건조한 공기, 즉 대기 중에는 약 0.03% 함유되어 있으며, 광합성과 식물의 탄소동화에 사용되고 있다. 현재까지 조사된 자료에 의하면 대부분의 항성에도 존재하는 것으로 알려져 있다.
독성은 없지만 호흡하는 데 아무런 소용이 없을 뿐만 아니라, 양이 증가하면 혈액 속에 녹아 있는 이산화탄소가 폐에 축적되어 사라지지 않게 되므로 이산화탄소의 농도가 88% 이상인 곳에서는 사람의 생명이 위험해진다. 이산화탄소는 17세기 초에 헬몬트에 의해 처음으로 확인되었는데, 그는 숯이 탈 때 생기는 기체가 알코올이 발효할 때 생기는 기체와 같은 것임을 증명하여 탄산가스의 존재를 규명하였다.
무색무취의 기체로 공기보다 약 1.5배 정도 무거우며, 승화점이 -78.50℃이다. 상온에서는 화학적으로 약간 비활성인 기체이나 고온에서는 다른 물질과 활성을 띠어 잘 반응하므로 쉽게 일산화탄소(CO)로 변한다. 물에 잘 녹는 성질을 가지고 있는데, 물 10에 대하여 0℃에서는 1.71 2,20℃에서는 0.880,40℃에서는 0.530 녹는다. 이산화탄소가 물에 녹은 것을 탄산이라고 한다. 이산화탄소의 용도는 다양하여 물에 녹여 만든 액화탄산은 청량음료에 사용되고, 조연성(이 없는 성질을 이용하여 소화제로도 사용된다. 이산화탄소를 단열팽창얻는 고체를 시켜 드라이아이스라고 하며 냉제로 사용되는데, 무대의 바닥에 안개나 연기를 만들기 때문에 연극이나 영화에도 많이 이용된다.

 

이산화탄소를 제거하는 식물

실내에서 기르는 관엽식물이나 다육식물로 실내공기 속의 이산화탄소의 농도를 감소시킬 수 있다는 것은 이미 알려진 사실이다. 여기에 속하는 식물로 관엽식물에는 C3 식물과 C4식물이 있고, 다육식물에는 CAM(crassulacean acid metabolism)식물이 있는데, 이런 식물들은 이산화탄소의 농도가 낮은 곳이나 광선이 강한 곳에서도 잘 자라는 식물로, 온대성 식물을 C3 식물이라 하고, 열대나 아열대 식물을 C4 식물이라고 하며, 낮에는 기공을 닫아 증산작용이 전혀 일어나지 않지만, 밤낮이 바뀔 때와 밤에는 증산작용을 하여 이산화탄소를 거의 방출하지 않는 특성을 가진 식물이 CAM식물이다.
건조지역에 서식하는 비염생(生) 다육식물은 밤에 기공을 통하여 이산화탄소(CO2)를 흡수하고 산을 합성하여 액포에 축적하므로, 세포액의 pH가 저하되지만 낮에는 산이 소실되어 pH가 상승한다. 이러한 현상이 돌나물과 식물에서 많이 관찰되므로, 이것을 돌나물형 유기산대사라 하고, 이런 유기산 대사를 하는 식물을 CAM 식물이라 한다. CAM식물이 밤에 축적하는 산은 고유한 화합물이 아니며, 이산화탄소가 C4 디카르복실산 회로에 의하여 고정되어 생성된 말산인데, 낮에는 말산의 소실과 동시에 이산화탄소가 생성되고, 이것은 다시 엽록체로 동화된다.
C3식물은 야간에 호흡에서 발생하는 이산화탄소가 체외로 방출되므로, 극도로 건조한 낮에도 기공이 닫히면 체내의 유기물량의 감소가 일어나 생장이 더디게 된다. CAM식물은 낮에 기온이 높고, 특히 토양이 건조하며, 밤의 기온이 상대적으로 크게 낮은 환경에 적응하기 위하여 특수한 대사 체계를 이라 할 수 있다. 이러한 지역에서 낮에 기공을 열어 이산화탄소를 흡수하여 광합성을 수행하려면 체내의 수분 손실이 극심하므로 결코 기공을 열 수가 없다. 그러나 밤이 되어 기온이 낮아져 대기의 상대습도가 포화에 가까워질 경우, 기공을 열면 이산화탄소의 흡수는 물론 기공을 통하여 수분 공급도 받을 수 있다.
CAM 식물에서 말산의 합성은 야간에, 즉 광합성을 위한 이산화탄소의 축적은 밤에 수분의 손실 없이 진행시키고, 낮에는 역시 수분의 손실 없이 말산으로부터 이산화탄소의 공급을 받아 당을 합성한다. 그러나 실제로 아침 일찍 햇빛이 비치기 시작하면, 아직도 열려진 기공으로 들어온 이산화탄소는 말산의 합성과 캘빈회로에 의한 동화에 모두 참여할 수가 있어서, 이산화탄소의 흡수가 최고에 이른다. 한편, 늦은 오후에는 세포에 축적되었던 말산은 모두 소비되고, 아직 말산의 탈탄산반응의 활성이 높게 유지되고 있으므로, 다시 열린 기공으로 흡수된 이산화탄소는 C4식물과 같은 광합성 형태를 거쳐서 당으로 환원된다.
실내에서 기르는 관엽식물은 낮에는 기공을 열어 이산화탄소를 흡수하고 산소를 방출하여, CO2의 농도를 낮추어 실내공기질을 개선하는 획기적인 효과가 있는 반면, 밤에는 햇빛이 없으므로 광합성을 하지 못하고 기공을 닫고 호흡만 하기 때문에, CO2를 방출하기는 하지만 그 양이 많지 않다. C3식물과 C4식물도 낮에는 증산작용을 하면서 CO2를 흡수하며 밤에는 기공을 닫기 때문에, 증산작용이 전혀 일어나지 않아 미약하게나마 CO2를 방출하게 된다.

CAM 식물은 낮에는 수분방출을 최소화하기 위해 기공을 닫아 증산작용을 전혀 하지 않으므로 CO2의 방출이 거의 없으며, 밤에는 기공을 많이 열어 CO를 많이 흡수하는 식물이다. CAM 식물과 C3, C4식물은 COz흡수, 방출 패턴이 시간적으로 정반대인 식물인데다가 CO2의 방출 시에도 그 양이 많지 않기 때문에 상호보완적인 식물이므로, CO2의 제거에는 실내에 같이 두면 효과가 크다.

 

인체에 미치는 영향

이산화탄소는 사람의 대사작용에 의해서도 생산되어 호흡으로 배출하는 것에이산화탄소는 사람의 대사작용은 우리가 익히 알고 있는 사실이다. 이산화탄소의 생산량은 사람마다 다른데, 섭취하는 음식물의 조성과 활동 정도에 의해 달라진다. 대표적인 활동 수준으로 사무적인 일에 종사하는 성인이 배출하는 이산화탄소의 양은 분당 약 200㎡ 정도라고 한다.
사람이 숨을 쉴 때 배출하는 이산화탄소가 인체에 해로운 기체라는 것은 상식적으로 알고 있지만, 과연 어느 정도인지를 살펴보면 실내공기 속에 CO2의 농도를 일정수준 이하로 유지시켜야 하는 이유를 알게 된다.
우리나라의 관련법규에서 CO2의 실내공기질 기준을 1,000ppm(-0.1%)으로 정하고 있기 때문에, 이산화탄소가 이 농도로 증가하면 호흡량을 늘려 폐포 내에 산소공급을 늘려 이산화탄소의 농도를 줄여야 한다. 호흡 중인 공기의 이산화탄소 농도가 3% 이상으로 증가하면, 호흡량과 호흡수를 저절로 증가하며, 4% 이상 되면 폐 속의 이산화탄소가 증가하기 시작하여 호흡곤란, 두통 등의 증상을 일으킨다. 짧은 시간이면 공기 중의 농도가 5% 될 때까지는 참을 수가 있으나, 그 이상이면 호흡곤란을 초래하고 심하면 치명적인 손상을 입게 된다. 다음 표 3-4는 이산화탄소가 농도의 증가에 따라 인체에 미치는 영향이 어느 정도인지를 요약하여 보여주고 있다.